油田辦公樓應用光伏發電的可行性探討

姜忠凱

（大慶油田第七采油廠數字化運維中心，黑龍江 大慶 163517）

在國家“碳中和、碳達峰”的政策下，發展綠色清潔能源是實現目標的重要抓手，太陽能憑借著綠色環保、日趨成熟的技術水平、安全、長壽命和取之不盡用之不竭等優勢得到越來越廣泛的應用，成為能源替代的主力軍。而油田也有著節能減排、提質增效的目標要求，因此太陽能光伏發電可以為油田實現高質量發展提供重要保障。

1 光伏發電系統簡介

太陽能發電指的是無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電方式，包括光伏發電、光化學發單、光感應發電和光生物發電。通常來說，太陽能發電指的是太陽能光伏發電，簡稱“光電”。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。該發電技術無枯竭危險、無公害、不受資源分布地域的限制、建設周期短、維護簡單、可靠性高應用范圍廣等諸多優點。太陽能供電系統按供電類型分為直流供電系統、交直流供電系統；按照供電特點分為獨立光伏發電系統（也叫離網光伏發電系統）和并網光伏發電系統。

1.1 獨立光伏發電系統

獨立光伏發電系統是指僅僅依靠太陽能電池供電的光伏發電系統或者主要依靠太陽能電池供電的光伏發電系統，采用自發自用模式。該系統由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器以及負載（直流負載、交流負載）組成。該系統由于負載只有太陽能光伏系統供電，所以系統的輸出穩定性會受到諸如日照和溫度等氣象條件的影響，因此需要使用蓄電池來調節，但蓄電池在充放電時會出現損失且維護檢修成本高，因此獨立光伏發電系統一般容量較小。主要用于小容量的用戶、遠離電網的邊遠地區、不采用電氣配線施工的地區、夜間和降水時不需要電網供電的地點以及特殊領域的供電。獨立光伏發電系統圖如圖1。

圖1 獨立光伏發電系統

1.2 并網光伏發電系統

并網光伏發電系統可以將太陽能電池陣列輸出的直流電轉化為與電網電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實現與電網連接并向電網輸送電能。該系統主要由太陽能電池、匯流箱、控制器、逆變器、負載等控制系統與設備組成，還可以根據實際項目需求，設置蓄電池、供電系統監控裝置和環境監測裝置。并網光伏發電系統的運行模式是太陽能電池板將光能轉換成電能，經匯流箱匯集后，通過并網逆變器轉換成交流電為建筑自身設備供電，多余或不足的電力通過電網來調節輸出或者供給。并網光伏發電系統示意圖如圖2。

圖2 并網光伏發電系統示意圖

如果根據并網光伏系統的應用形式，應用規模及負載的類型，可以再進行比較細致的劃分，具體為如下：有逆潮流并網系統；無逆潮流并網系統；切換式并網系統；直、交流并網型光伏系統；并網混合系統。并網光伏發電系統分類對比如表1。

表1 并網光伏發電系統分類對比

光伏發電系統受日照等氣象因素影響較大，如果加裝蓄電池組可以有效提高并網系統輸出的穩定性。通過對比可以看出，在現有的技術條件下：

（1）并網混合系統功能最強、可用面最廣、結構最復雜，但成本最高。

（2）有逆潮流并網系統和無逆潮流并網系統的穩定性最差。

（3）切換式并網系統整體性能則居于中間，性價比最高。

綜合來看，如果是用電時間集中在白天的用戶，采用切換式并網系統更經濟合適。

2 可行性分析

2.1 設計原則

設計光伏發電系統必須考慮諸多因素，通過多方面調查了解，根據建筑物的形狀、結構、屋頂結構和當地氣象條件及方位，來選定太陽能電池陣列的設置場所，然后確定電氣方式、負載類型、負載容量和系統配件的安裝場所，以此決定系統的形式、構成，通過用電量計算太陽能電池的陣列容量和發電量，解決太陽能電池的方位角、傾斜角、可設置的面積、臺架形式以及布置方式等。一般而言太陽能電池是整套系統的核心部件。太陽能電池組件設計的一個主要原則就是要滿足平均天氣條件下負載的每日用電需求。因為天氣條件有低于和高于平均值的情況，所以要保證太陽能電池組件和蓄電池在天氣條件有別于平均值的情況下協調工作。目前太陽能電池板主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池(含薄膜太陽能電池）、多元化合物太陽能電池等。按照當前技術水平，太陽能電池的使用壽命一般在25～30年。

2.2 舉例分析

采油七廠地處東北，太陽能電池板在每平方米一年內接收太陽輻射總量為4190～5016MJ，年日照有效時數為1329.29h，最佳安裝角度為41°，經查詢大慶峰值日照（見表2），取平均日照峰值4.16kWh/m2。

表2 大慶市光照峰值日照時數表（單位：kWh/m2/day）

以采油七廠計量儀表室辦公樓樓為例進行分析。該樓用電主要集中在白天，辦公用電中照明燈具、空調、計算機、打印機以及辦公室內小型電器等設備的功率并不是重負荷，不是需要24h穩定運行的生產單元，屬于三級配電負荷。該樓前、后兩部分屋頂均無遮擋，總面積為932m2。計量儀表樓地理位置及面積圖如圖3。

圖3 計量儀表樓地理位置及面積

樓內用電設備的全年總功率約為14750kW。可選用高性能單晶硅太陽能電池組件，以國產某品牌太陽能光伏板為例，其光電轉換效率可達21.5%，規格為550WP，開路電壓49.8V，工作溫度為-40～85℃，組件尺寸為：2094×1038×35mm。

經過計算，該光伏發電系統滿足年消費量時的必要的太陽能電池容量為20.261kW，需要安裝單晶硅組件37片，每片的面積為2.2m2，總安裝面積為82m2。因安裝占地面積遠小于屋頂面積，光伏電池板可以安裝在后樓屋頂，因東北冬季低溫寒冷，為了保障設備的使用壽命，可將光伏逆變器和蓄電池組置于樓內。

如果以網上查詢的設備價格為參考，整套設備成本預估為16萬元。按照目前國家電網的價格：低壓0.7165元/千瓦時（含稅13%）來計算，預計15.74年可收回成本。如果大規模安裝采購，成本可以降低，成本回收周期也可以縮短。

綜合考慮光伏發電系統的穩定性與性價比，計量儀表樓可以使用切換式并網系統。

3 結語

太陽能光伏發電系統目前的技術是比較成熟的，可以根據不同負載需求選擇獨立或者并網光伏發電系統。

不同的光伏發電系統特點不同，根據目前的技術水平，并網混合系統功能最強，穩定性最好，但復雜程度也最高，成本最高；切換式并網系統價格較低，性價比較高。計量儀表樓用電負荷有限，并且用電時間主要集中在白天，綜合考慮，安裝切換式并網發電系統更適合。以采油七廠計量儀表樓為例進行多角度分析可以得出，完全可以在光伏設備使用周期內收回成本，隨著技術的進步，光伏發電系統的總成本和成本回收周期會進一步下降。